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摘 要：针对目前水果市场存在的水果采摘效率低、工作量大、水果质量难以保证等问题，对市面上的主要采摘方式及采摘器械进行深入研究调查，基于推剪原理，设计了一个外形简约，结构合理，方便高效的手自一体苹果采摘器。该装置既可以通过电机带动切割苹果根茎将苹果从果树上采摘下来也可以采取手动方式，极大程度上的减少了工人的劳动强度，有效的提高了采摘效率。
关键词：水果采摘器;仿推剪;手自一体
1 前言
国内大部分水果采摘方式是手动采摘，需要采摘工人多次攀登上树，费时费力又存在危险，大幅度增加了中小型果园的经济成本。而市面上现有的一些水果采摘器都是靠手动夹持，不断来回做功容易疲劳且效率低下[2-3]。同时量产水果采摘中存在着大量问题，例如劳动工作量大、作业范围广、触碰力度控制要求高等等，所以提高水果采摘效率、降低采摘成本同时保障水果质量是目前水果采摘亟需解决的问题。
2 现状分析
随着生产工业化的迅猛发展，很多劳工都开始转向工业或其他行业，导致农业劳动力极其短缺[4]，劳动成本逐步提高。而采摘作业是水果生产过程中最为耗时、费力的一个重要环节[5]。由于目前市场上水果种类众多且特点各异，设计一种适用于所有水果的采摘装置很难实现，所以主要针对现有的苹果采摘所存在的问题进行了详细调查，并且发现在现有的果园采摘工作中，绝大多数果园仍旧采用人工采摘的方式，这种方式耗时耗力，采摘效率低下，据统计，采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33%～50%[6]。随着经济的不断发展，水果市场的需求不断变大，即使目前市面上已有多种采摘工具，但形式单一，功能性不强。
3 外形设计方案
3.1 整体形状
拟设计的手自一体水果采摘器主要由4个模块构成，分别为握柄模块，支撑模块，采摘模块和收集模块。在实际的采摘过程中，采摘者只需要手持采摘器将刀头对准苹果根茎，便可实现采摘和收集。整个采摘器，结构新颖，设计合理。整体采用手自一体化设计，能自动剪切，也能应对电池没电等意外情况快速切换手动模式。
3.2 刀头部分
如图1所示，刀头部分基于推剪的原理，刀片左右移动以达到切割的效果，相比于普通的剪刀式刀头，此设计，在保证切割范围的同时，缩短了行程，是普通剪刀式刀头行程的1/4，既节省了时间，也减轻了劳动强度。
3.3连接部分
连接部分采用了关节式设计，能在一定范围内调整刀头的角度，以适应不同角度的水果，使采摘更灵活，增强了采摘装置的柔性化。
3.4手持部分
在需要手握的地方考虑到工作的特殊环境、工人手中经常出汗，且连续工作时间长，所以伸缩杆和手柄部分都有防滑垫设计，防止在采摘水果过程中手出汗打滑，也使握杆较柔软，手持姿势尽量保证舒适，手在握到手柄上时不会有硌手现象。
3.5收集部分
如图2所示，水果收集部分运用布筒与背篓的结合，在刀头的下方有个布筒，布筒顺着伸缩杆直通背篓，当水果掉下来的时候可以順着布筒一直到背篓。布筒里设置多级缓冲，防止水果磕破。另外，入口处板为活动板，通过调节板的仰角以减小不同高度下落水果的速度。
3.6材料选择
工作时工作者与此水果采摘器形成费力杠杆结构。苹果等水果梗韧性大，较难切除，因此位于顶端的刀头部分应选择轻薄、耐磨、硬度高的锋利刀片，来减轻工作者的劳动强度;支撑模块可能承受质量较大的水果，造成同时工作者体力有限，需选用轻巧、强度大、硬度大的材料;握柄部分外层应选用贴合人手的舒适材料。
4 尺寸设计
4.1长度尺寸
支撑模块长度是采摘器能否采摘到苹果的一大重要决定模块，因为苹果是落叶乔木，通常树木可高至15米，但栽培树木一般只高3-5米左右，而当前果园的苹果树普遍都是人为种植，所以高度也大约为3-5米左右。而从事采摘事业的人员多为男性，年龄范围在18～60岁内，手持采摘器作业时支撑模块底部大约与肘高平齐，根据中华人民共和国国家标准的中国成年人人体尺寸[7]，肘高在92.5～112.8cm范围内。据调查研究，人眼在垂直平面内的最佳视角为视平线以上35度左右，仰头舒适角度40度左右。结合以上数据，将采摘器支撑部分设计为可收缩杆，伸缩范围H为1.8-2.2米。
4.2 握把宽度设计
抓握空间与最大握力值的关系如图8所示，从图中可看出握把宽度在76mm左右较为合适，因此将未施力时的最大宽度设计为80mm。
4.3 刀头设计
据实际调查与观察，一个苹果的宽度一般低于100mm，所以为保证采摘行程的有效性，如图9所示，采摘器的刀头部分宽度应大于100mm，刀刃间距应远大于苹果梗直径以便快速精准的找到剪切点，提高采摘效率。所以设计宽度为120mm，间距C为15mm。且为防止苹果与繁茂枝叶遮挡住刀头部分，将刀头与苹果和枝叶的颜色区分开，根据对比色原理，将刀头部分设置为黄色，便于刀头精准定位，提高采摘效率
5结论
随着社会的进步，人工费越来越贵，所以采摘器成为果农们提高生产效率必不可缺的东西。新式采摘器的出现能大大节省人力物力，提高效率。目前市场上采摘器形式单一，功能性不强，所以实际应用并不广泛，针对此现象设计的仿推剪手自一体水果采摘器有手动和自动两种模式，应用范围广，功能性强，能减轻果农压力，造价低，结构简单，能进行大规模生产和推广，若能和高效营销策略相结合，能有效解决采摘困难，资源浪费等问题。该产品对现代农业发展具有良好的推进作用。而且该产品可以在刀头上进行改良，使其适用于更多种类，更大范围的采摘活动，具有良好的应用前景，可为实现水果采摘机械化奠定基础。
参考文献
[1] 王旭，王凤仙，王东利，田园，刘茳，王鑫.人工辅助水果采摘器的设计研究——基于矿业学院实践教学成果的展示[J].呼伦贝尔学院学报，2018，26（05）：133-135+118.
[2] 钟宇，余维田，宗华.我国农用水果采摘器市场分析——以便携式水果采摘器为例[J].现代营销（下旬刊），2018（08）：88.
[3] 徐铭辰，牛媛媛，余永昌.果蔬采摘机器人研究综述[J].安徽农业科学，2014，42（31）：11024-11027+11057.
关键词：水果采摘器;仿推剪;手自一体
1 前言
国内大部分水果采摘方式是手动采摘，需要采摘工人多次攀登上树，费时费力又存在危险，大幅度增加了中小型果园的经济成本。而市面上现有的一些水果采摘器都是靠手动夹持，不断来回做功容易疲劳且效率低下[2-3]。同时量产水果采摘中存在着大量问题，例如劳动工作量大、作业范围广、触碰力度控制要求高等等，所以提高水果采摘效率、降低采摘成本同时保障水果质量是目前水果采摘亟需解决的问题。
2 现状分析
随着生产工业化的迅猛发展，很多劳工都开始转向工业或其他行业，导致农业劳动力极其短缺[4]，劳动成本逐步提高。而采摘作业是水果生产过程中最为耗时、费力的一个重要环节[5]。由于目前市场上水果种类众多且特点各异，设计一种适用于所有水果的采摘装置很难实现，所以主要针对现有的苹果采摘所存在的问题进行了详细调查，并且发现在现有的果园采摘工作中，绝大多数果园仍旧采用人工采摘的方式，这种方式耗时耗力，采摘效率低下，据统计，采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33%～50%[6]。随着经济的不断发展，水果市场的需求不断变大，即使目前市面上已有多种采摘工具，但形式单一，功能性不强。
3 外形设计方案
3.1 整体形状
拟设计的手自一体水果采摘器主要由4个模块构成，分别为握柄模块，支撑模块，采摘模块和收集模块。在实际的采摘过程中，采摘者只需要手持采摘器将刀头对准苹果根茎，便可实现采摘和收集。整个采摘器，结构新颖，设计合理。整体采用手自一体化设计，能自动剪切，也能应对电池没电等意外情况快速切换手动模式。
3.2 刀头部分
如图1所示，刀头部分基于推剪的原理，刀片左右移动以达到切割的效果，相比于普通的剪刀式刀头，此设计，在保证切割范围的同时，缩短了行程，是普通剪刀式刀头行程的1/4，既节省了时间，也减轻了劳动强度。
3.3连接部分
连接部分采用了关节式设计，能在一定范围内调整刀头的角度，以适应不同角度的水果，使采摘更灵活，增强了采摘装置的柔性化。
3.4手持部分
在需要手握的地方考虑到工作的特殊环境、工人手中经常出汗，且连续工作时间长，所以伸缩杆和手柄部分都有防滑垫设计，防止在采摘水果过程中手出汗打滑，也使握杆较柔软，手持姿势尽量保证舒适，手在握到手柄上时不会有硌手现象。
3.5收集部分
如图2所示，水果收集部分运用布筒与背篓的结合，在刀头的下方有个布筒，布筒顺着伸缩杆直通背篓，当水果掉下来的时候可以順着布筒一直到背篓。布筒里设置多级缓冲，防止水果磕破。另外，入口处板为活动板，通过调节板的仰角以减小不同高度下落水果的速度。
3.6材料选择
工作时工作者与此水果采摘器形成费力杠杆结构。苹果等水果梗韧性大，较难切除，因此位于顶端的刀头部分应选择轻薄、耐磨、硬度高的锋利刀片，来减轻工作者的劳动强度;支撑模块可能承受质量较大的水果，造成同时工作者体力有限，需选用轻巧、强度大、硬度大的材料;握柄部分外层应选用贴合人手的舒适材料。
4 尺寸设计
4.1长度尺寸
支撑模块长度是采摘器能否采摘到苹果的一大重要决定模块，因为苹果是落叶乔木，通常树木可高至15米，但栽培树木一般只高3-5米左右，而当前果园的苹果树普遍都是人为种植，所以高度也大约为3-5米左右。而从事采摘事业的人员多为男性，年龄范围在18～60岁内，手持采摘器作业时支撑模块底部大约与肘高平齐，根据中华人民共和国国家标准的中国成年人人体尺寸[7]，肘高在92.5～112.8cm范围内。据调查研究，人眼在垂直平面内的最佳视角为视平线以上35度左右，仰头舒适角度40度左右。结合以上数据，将采摘器支撑部分设计为可收缩杆，伸缩范围H为1.8-2.2米。
4.2 握把宽度设计
抓握空间与最大握力值的关系如图8所示，从图中可看出握把宽度在76mm左右较为合适，因此将未施力时的最大宽度设计为80mm。
4.3 刀头设计
据实际调查与观察，一个苹果的宽度一般低于100mm，所以为保证采摘行程的有效性，如图9所示，采摘器的刀头部分宽度应大于100mm，刀刃间距应远大于苹果梗直径以便快速精准的找到剪切点，提高采摘效率。所以设计宽度为120mm，间距C为15mm。且为防止苹果与繁茂枝叶遮挡住刀头部分，将刀头与苹果和枝叶的颜色区分开，根据对比色原理，将刀头部分设置为黄色，便于刀头精准定位，提高采摘效率
5结论
随着社会的进步，人工费越来越贵，所以采摘器成为果农们提高生产效率必不可缺的东西。新式采摘器的出现能大大节省人力物力，提高效率。目前市场上采摘器形式单一，功能性不强，所以实际应用并不广泛，针对此现象设计的仿推剪手自一体水果采摘器有手动和自动两种模式，应用范围广，功能性强，能减轻果农压力，造价低，结构简单，能进行大规模生产和推广，若能和高效营销策略相结合，能有效解决采摘困难，资源浪费等问题。该产品对现代农业发展具有良好的推进作用。而且该产品可以在刀头上进行改良，使其适用于更多种类，更大范围的采摘活动，具有良好的应用前景，可为实现水果采摘机械化奠定基础。
参考文献
[1] 王旭，王凤仙，王东利，田园，刘茳，王鑫.人工辅助水果采摘器的设计研究——基于矿业学院实践教学成果的展示[J].呼伦贝尔学院学报，2018，26（05）：133-135+118.
[2] 钟宇，余维田，宗华.我国农用水果采摘器市场分析——以便携式水果采摘器为例[J].现代营销（下旬刊），2018（08）：88.
[3] 徐铭辰，牛媛媛，余永昌.果蔬采摘机器人研究综述[J].安徽农业科学，2014，42（31）：11024-11027+11057.